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生产A356.2合金锭时针孔的去除与控制
邬宁
南京宁铁有色合金科技开发有限责任公司
摘要：本文对用反射炉生产A356.2铝合金锭时针孔的产生、去除进行了试验与理论分析。指出控制熔炼及精炼温度，辅之以喷粉精炼的正确方法，可有效的去除合金中的气体，从而使合金锭的针孔度达到制作高品质铸件要求。
关键词：气孔；温度控制；精炼
前言（引言）： 在铝硅系铸造合金锭生产中，由于硅与氧有较大的亲和力，极易在铸锭中形成气孔。而其形态在铸锭断面显现为针眼状不规则小孔，俗称为针孔。铸锭含气量的高低、显现为铸锭断面针孔的大小及多少。由于铸锭的含气量具有遗传性，如铸锭含气较高时，则很难保证制作砂型金属铸件时针孔的产生，造成铸件报废。许多高品质铸件的生产企业均对合金锭有较高的针孔等级要求。目前绝大多数铸造铝合金锭生产企业均采用反射炉工业化生产，在此条件下如何去除合金中的气体使合金锭的针孔度达到客户要求，是每个合金锭生产企业关注的问题。
正文：
一、 气体的来源及影响因素：
由于反射炉生产铸铝合金锭是是敞开在大气中进行，熔化了的铝合金液与空气及炉中的各种气体接触，使合金液吸气，目前公认的铝合金气孔主要由氢气(H2)形成，而大气中氢气的含量微乎其微，而铝液中的氢气从何而来，如何形成，如何防止就成为要不断研究和解决的问题。
1.1铝合金液中气体的来源：
（1）来自于空气中的水蒸气
研究证明在高温下铝与空气中的水蒸气接触发生以下反应
Al+3H2O=Al(OH)3+3/2H2(气) （1-1）
反应生成的Al(OH)3在铝液熔炼温度下又分解成Al2O3和水汽。其水汽又与铝液发生反应产生氢。
（2）来自于物料的油脂
在废旧物料中常粘附有切削油、冷却液、机油等。在熔炼温度下这些碳氢化合物与铝液发生反应
Al+CmHn→Al4C3+H2 （1-2）
（3）来自于含有水分的炉料、工具、溶剂等
未经烘烤充分的物料、工具、溶剂等均含有水分，在熔炼温度下都会发生（1-1）的反应，形成氢的来源。
1.2影响铝合金吸气的因素：
（1）氢或水汽的分压
根据西怀特定律氢气在铝液中的溶解度与氢气的分压平方根成比例。
S=K√PH (1-3)
式中S——氢的溶解度
K——常数
PH——氢的分压
而水汽的分压经（1-1）式的反应后，又转换成氢气的分压其实际含氢量与水汽分压的关系可用
S（ml/100gAl）=0.053√PH2O （1-4）
求得
（2）合金液温度的影响
在温度变化时氢的溶解度则表示为：
logS=1.356-2760/T+(1/2)logPH2（液体） （1-5）
不同温度情况下氢在铝中的溶解度见图1-1及表1-1
|
温度（°C） |
|
图1-1温度对铝合金中氢溶解度的影响 |
表1-1不同温度下氢在铝中的溶解度
|
溶解度
温度（°C） |
S(cm3/100gAl) |
S(×10-6) |
|
300 |
0.001 |
0.00089 |
|
400 |
0.005 |
0.00449 |
|
500 |
0.012 |
0.01078 |
|
600 |
0.026 |
0.02337 |
|
660（固） |
0.036 |
0.03236 |
|
660（液） |
0.69 |
0.62031 |
|
700 |
0.92 |
0.82708 |
|
800 |
1.67 |
1.50133 |
（3）Al2O3等夹杂物影响
Al2O3等氧化物有强烈吸附氢气和水汽的能力。这种化学吸附阻止合金液的脱氢，同时提供气泡成核的界面，形成气孔。目前的研究已对渣、气共存形成一致观念。
（4）合金元素的影响
Si、Cu等合金元素使合金液的气体溶解度降低，Mg使其增加A356.2含7%的Si，0.4%的Mg使其形成气孔的因素增大。
（5）其他影响的因素
其他影响因素还包括：铝液表面氧化膜形成后的破坏，熔化时间，温度的影响以及空气湿度的影响等。其原理已在以上公式、图表及Al2O3等夹杂物影响中叙述，不再各个说明。
二、 防、除并举，保障铸锭品质
2.1 预防为主，将各种影响针孔形成因素降至最低
（1）防范原料及工具所带入的水份及油污
从第一章所述公式（1-1）（1-2）中可以看出水及油污均是产生针孔的因素，在生产实践中我公司采用了炉料、工具烘烤等手段，将水份及油污去除，具体的做法是炉料加入熔炉后，敞开炉门及烟道，利用炉内的余温或在熔炼开始时（当炉内余温较低时）使水汽及油污产生的气体排出以减少炉内氢的分压。这个时间过程可根据实际炉膛的大小、原料的污染程度调节控制。
由于生产A356.2铸锭时所用原料一般均为低铁铝锭及金属硅，相对油污的含量几乎不存在，但在生产其他品种时，有时会有含油污的原料，用以上方法可取得较满意的效果。
（2）提高合金液纯净度，防止氧化夹杂形成气孔
为提高合金液的纯净度，我公司采用了陶瓷加滤网双重过滤设施，保证了合金液纯净度的提高。
在采用人工搅拌合金液的反射炉生产时，搅拌合金液时应尽量减少破坏合金液表面形成的氧化膜。目前正日益普及的磁搅拌系统可使表面氧化膜的破坏大大减少。
氧化夹杂物的去除与减少，可降低铸锭针孔的形成率。
2.2 严格控制工艺，有效去除残留氢
从图1-1、表1-1中可以看出，随着铝液温度的提高氢在铝液中的溶解度加大，这就造成铝液含氢量的增加，从而增加了形成针孔的倾向。通过大量工艺实验，在保证合金化的情况下，我们摸索出比较适合该合金的熔炼温度、精炼温度、静置温度，并严格控制在±5°C的范围内。合适的熔炼、精炼温度尽可能降低了铝液的吸气倾向。用氩气为载体采用多孔喷管的喷粉精炼有效的去除合金液中的氢，适中的静置温度及时间保证了静置时的[H]呼>[H]吸。以上措施有效的保证了铸锭的针孔等级达标。
结论：通过防、除并举，并有效的控制各项工艺参数，我公司生产的A356.2合金锭针孔等级已稳定在ISO10049标准规定的1-2级范围（图2）。
图2：实物低倍 左1级，右2级
满足了用户生产高性能铸件的要求。此方法对生产其他牌号针孔等级度要求较高的铸造铝合金锭也有指导作用。
以上是我们通过生产实践摸索出的一些认识，对炉型、燃料、铸锭系统等不同的生产企业，工艺操作参数会有所区别。我们的经验仅供读者参考，不当之处敬请指正，本人深表感谢。
